操作系統(tǒng)原理

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，用戶直接使用大型機(jī)器并獨(dú)占機(jī)器，無論是對機(jī)器的效率來說還是對方便用戶來說都不適宜。人們創(chuàng)造出一類依靠計(jì)算機(jī)來管理自己和管理用戶的程序，叫做操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)是隨著硬件和軟件的不斷發(fā)展而逐漸形成的一套軟件系統(tǒng)，用來管理計(jì)算機(jī)資源(如處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備和各種編譯、應(yīng)用程序)和自動調(diào)度用戶的作業(yè)程序，而使多個用戶能有效地共用一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　操作系統(tǒng)是一個大型的程序系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件資源的分配和管理;控制和協(xié)調(diào)并發(fā)活動;提供用戶接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境。

　　以多道程序設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)具備的主要特征是并發(fā)與共享。另外。由于操作系統(tǒng)要隨時處理各種事件，所以它也具備不確定性。

　　操作系統(tǒng)具有的資源管理功能包括：處理機(jī)分配、存儲管理、設(shè)備管理、軟件資源管理。操作系統(tǒng)資源管理的目標(biāo)是提高系統(tǒng)資源的利用率和方便用戶使用。

　　操作系統(tǒng)的核心任務(wù)是系統(tǒng)資源分配、控制和協(xié)調(diào)并發(fā)活動。

　　批量操作系統(tǒng)的主要特征是“批量”，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的吞吐率高，缺點(diǎn)是對用戶的響應(yīng)時間較長，用戶不能及時了解自己程序的運(yùn)行情況并加以控制。

　　分時操作系統(tǒng)一般采用時間片輪轉(zhuǎn)的辦法，使一臺計(jì)算機(jī)同時為多個終端用戶服務(wù)，該系統(tǒng)對每個用戶都能保證足夠快的響應(yīng)時間，并提供交互會話功能。分時系統(tǒng)與批量系統(tǒng)的主要差別在于，所有用戶界面都是通過像電傳打字機(jī)或CRT聯(lián)機(jī)終端那樣的設(shè)備產(chǎn)生的。每個用戶通過各自的終端使用計(jì)算機(jī)。分時系統(tǒng)具有的特點(diǎn)：并行性：共享一臺計(jì)算機(jī)的眾多聯(lián)機(jī)用戶可以在各自的終端上同時處理自己的程序;獨(dú)占性：分時操作系統(tǒng)采用時間片輪轉(zhuǎn)的方法使一臺計(jì)算機(jī)同時為許多終端用戶服務(wù);交互性：用戶與計(jì)算機(jī)之間可以進(jìn)行“對話”，用戶可以根據(jù)運(yùn)算結(jié)果提出下一步要求，直到全部工作完成。

　　(批量操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著操作系統(tǒng)的初步形成。)

　　實(shí)時操作系統(tǒng)能夠?qū)ν獠枯斎氲男畔⒃谝?guī)定的時間內(nèi)(截止期限deadline)處理完畢并作出反應(yīng)。其另一個重要的特征是可預(yù)測性分析。操作系統(tǒng)功能應(yīng)該具有有限的、已知的執(zhí)行時間。對實(shí)時應(yīng)用進(jìn)程的CPU調(diào)度應(yīng)該是基于時間約束的，以滿足截止期限的要求。主存管理，即使有虛擬主存，也不能采用異步和無法預(yù)測的頁面或段的換進(jìn)換出。而文件在磁盤上的物理結(jié)構(gòu)一般應(yīng)采用連續(xù)分配方式，以避免耗時的、不可確定的文件操作，如動態(tài)確定磁盤柱面的搜尋操作。實(shí)時系統(tǒng)按其使用方式分為實(shí)時控制和實(shí)時信息處理。實(shí)時系統(tǒng)要求有高可靠性和安全性，系統(tǒng)的效率(靈活性)則放在第二位，系統(tǒng)通常是采用雙工方式工作的。實(shí)時操作系統(tǒng)沒有分時操作系統(tǒng)那樣強(qiáng)的交互會話功能，通常不允許用戶通過實(shí)時終端設(shè)備去編寫新的程序或修改已有的程序。

　　在個人計(jì)算機(jī)和工作站領(lǐng)域有兩種主流操作系統(tǒng)：一個是微軟公司的磁盤操作系統(tǒng)(MS-DOS)和具有圖形用戶界面的視窗操作系統(tǒng)(Windows);另一個是UNIX系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)。微軟公司用各種類型的Windows系統(tǒng)替代了MS-DOS操作系統(tǒng)，IBM公司也將MS-DOS升級為多任務(wù)系統(tǒng)OS/2。UNIX系統(tǒng)是一個多用戶的、人機(jī)交互的分時操作系統(tǒng)，自問世以來十分流行，它運(yùn)行在從高檔個人計(jì)算機(jī)到大型機(jī)等各種不同處理能力的機(jī)器上，提供了良好的工作環(huán)境;它所有的實(shí)用程序?qū)雍秃诵膶拥?0%代碼是用C語言寫成的，具有可移植性、安全性，提供了很好的網(wǎng)絡(luò)支持功能，大量用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。而目前十分受歡迎的、開放源碼的操作系統(tǒng)Linux，則是用于個人計(jì)算機(jī)的、類似于UNIX的操作系統(tǒng)。

　　網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)除了具備一般操作系統(tǒng)應(yīng)具有的功能模塊之外(如系統(tǒng)核心、設(shè)備管理、存儲管理、文件系統(tǒng)等)，還要增加一個網(wǎng)絡(luò)通信模塊，該模塊由通信接口中斷處理程序、通信控制程序以及各級網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等軟件組成。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)提供的功能包括：允許用戶訪問網(wǎng)絡(luò)主機(jī)中的各種資源;對用戶訪問進(jìn)行控制，僅允許授權(quán)用戶訪問特定的資源;對遠(yuǎn)程資源的利用如同本地資源一樣;提供全網(wǎng)統(tǒng)一的記賬辦法;聯(lián)機(jī)地提供最近的網(wǎng)絡(luò)說明資料;提供比單機(jī)更可靠的操作。

　　分布式系統(tǒng)又稱為分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或分布式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，是由多個相互連接的處理單元組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，分布式系統(tǒng)是一個一體化的系統(tǒng)。在整個系統(tǒng)中有一個全局的操作系統(tǒng)稱為分布式操作系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)全系統(tǒng)的資源分配和調(diào)度、任務(wù)劃分、信息傳輸、控制協(xié)調(diào)等工作，并為用戶提供一個統(tǒng)一的界面、標(biāo)準(zhǔn)的接口。

　　UNIX是多用戶交互式分時操作系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上分成核心層和實(shí)用層。其中，核心層小巧，設(shè)計(jì)得非常精干簡潔，包括進(jìn)程管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)幾個部分，主要算法經(jīng)過反復(fù)推敲，對其中包含的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，只需占用很小的存儲空間，并能常駐內(nèi)存，保證了系統(tǒng)較高的工作效率;實(shí)用層豐富，是那些能從核心層分離出來的部分，包含豐富的語言處理程序和其他操作系統(tǒng)常見的實(shí)用程序(如編輯程序、調(diào)試程序、有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和文件管理的實(shí)用程序等)，它們以核外程序形式出現(xiàn)并在用戶環(huán)境下運(yùn)行。

　　UNIX使用靈活的命令語言shell。shell屬于核外程序，同時作為一種程序設(shè)計(jì)語言，它具有許多高級語言所擁有的控制流能力，如if、for、while、until、case語句，以及對字符串變量的.賦值、替換、傳遞參數(shù)、命令替換等能力。用戶可以根據(jù)這些功能用shell語言寫出“shell”程序存入文件，以后用戶只要打入相應(yīng)的文件名就能執(zhí)行它，這種方法易于系統(tǒng)的擴(kuò)充。

　　UNIX系統(tǒng)采用樹型目錄結(jié)構(gòu)來組織各種文件及文件的目錄，這樣的組織方式有利于輔存空間分配及快速查找文件，也可以為不同用戶的文件提供文件共享和存取控制的能力，且保證用戶之間安全高效的合作。

　　UNIX系統(tǒng)中的文件是無結(jié)構(gòu)的字節(jié)序列。在缺省情況下，文件都是順序存取的，但用戶如果需要的話，也可為文件建立自己需要的結(jié)構(gòu)，用戶可以通過改變讀/寫指針對文件進(jìn)行隨機(jī)存取。UNIX將外部設(shè)備與文件一樣看待，外部設(shè)備如同磁盤上的普通文件一樣被訪問、共享和保護(hù)。

　　UNIX系統(tǒng)所有的實(shí)用程序?qū)雍秃诵膶拥?0%代碼是用C語言寫成的，這使得UNIX成為一個可移植的操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的課移植性帶來了應(yīng)用程序的可移植性，因而用戶的應(yīng)用程序既可用于小型機(jī)，又可用于其他的微型機(jī)或大型機(jī)，從而大大提高了用戶的工作效率。UNIX也鼓勵用戶用UNIX的工具開發(fā)自己適合需要的環(huán)境，造成UNIX系統(tǒng)版本太多，應(yīng)用程序的可移植性不能完全實(shí)現(xiàn);UNIX的核心是無序模塊結(jié)構(gòu)，不是層次式的，故顯得十分復(fù)雜，不易修改和擴(kuò)充;UNIX也缺少諸如實(shí)時控制、分布式處理、網(wǎng)絡(luò)處理等能力，這一缺點(diǎn)也在不斷改進(jìn)中。

　　進(jìn)程是指一個具有獨(dú)立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合的一次運(yùn)行活動。進(jìn)程是一個能獨(dú)立運(yùn)行的單位，能與其他進(jìn)程并行的活動。進(jìn)程是競爭計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有限資源的基本單位，也是進(jìn)行處理機(jī)調(diào)度的基本單位。

　　進(jìn)程是程序在處理機(jī)上的一次執(zhí)行過程，它是一動態(tài)概念;程序是指令的有序集合，其本身沒有任何運(yùn)行的含義，它是一個靜態(tài)概念。進(jìn)程是有一定生命期的，它能夠動態(tài)地產(chǎn)生和消亡，即進(jìn)程可由“創(chuàng)建”而產(chǎn)生，由調(diào)度而執(zhí)行，因得不到資源而暫停，以致最后由“撤銷”而消亡;程序可以作為一種軟件資料而長期保存。

　　在支持多任務(wù)運(yùn)行的操作系統(tǒng)中，活動的最小單位是進(jìn)程。進(jìn)程一定包含一個程序，因?yàn)槌绦蚴沁M(jìn)程完成功能的邏輯描述;而一個程序可以對應(yīng)多個進(jìn)程。如果同一程序同時運(yùn)行于若干不同的數(shù)據(jù)集合上，它將屬于若干個不同的進(jìn)程�；蛘哒f，若干不同的進(jìn)程可以包含相同的程序，即用同一程序?qū)Σ煌瑪?shù)據(jù)先后或同時加以處理，就對應(yīng)于好幾個進(jìn)程。

　　文件的邏輯結(jié)構(gòu)可分為兩種形式：無結(jié)構(gòu)的流式文件、有結(jié)構(gòu)的記錄式文件。

　　其中，無結(jié)構(gòu)的流式文件是相關(guān)的有序字符的集合，文件長度即為所含字符數(shù)。流式文件不分成記錄，而是直接由一連串信息組成。對流式文件而言，它是按信息的個數(shù)或以特殊字符為界進(jìn)行存取的。流式文件對操作系統(tǒng)而言，管理比較方便;對用戶而言，適于進(jìn)行字符流的正文處理，也可以不受約束地靈活組織其文件內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)。UNIX系統(tǒng)中的文件采用流式結(jié)構(gòu)，但為了使用方便，UNIX將流式文件按512 B 的大小劃分為若干個邏輯記錄，從而將流式文件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為記錄式文件。

　　有結(jié)構(gòu)的記錄式文件在邏輯上總是被看成一組連續(xù)順序的記錄的集合。每個記錄由彼此相關(guān)的域構(gòu)成。定長記錄文件的長度可由記錄個數(shù)決定，變長記錄文件的長度為各記錄長度之和。